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数据结构:树(Tree)

目录

为什么需要树?

🌱 基本的树结构定义 

什么是树?

树的术语

🌿 常见基本树的变体

🌳 二叉搜索树(BST) 

🌲 自平衡二叉搜索树

1. AVL树(Adelson-Velsky and Landis Tree)

2. 红黑树(Red-Black Tree)

红黑树 vs AVL 树


为什么需要树?

在现实世界中,数据常常不是一维的。比如公司组织架构、家谱、操作系统的文件系统……它们都存在「层级关系」。

那么,从信息最基本的构成来说,如何表示这种「一对多」和「嵌套式」的结构?

 用图(Graph):抽象实体(节点)+ 它们之间的关系(边)

 特殊的图——无环、连通、有根、层级明确的图,就是我们所说的:

🎄 树结构(Tree)

🌱 基本的树结构定义 

什么是树?

  • 一棵树是一个由节点组成的数据结构,满足:

    • 有一个“根节点”

    • 每个节点有 0 个或多个子节点

    • 无环(无回路)

    • 每个子节点只能有一个父节点

树的术语

名称说明
根节点(Root)树的最上层节点
子节点(Child)从某个节点派生出来的节点
父节点(Parent)指向某个子节点的节点
叶子节点(Leaf)没有任何子节点的节点
深度(Depth)从根节点到某节点的路径长度
高度(Height)从某节点到最深叶节点的路径长度
子树(Subtree)以某个节点为根的树

🌿 常见基本树的变体

1. 二叉树 Binary Tree

  • 每个节点最多有两个子节点(左、右)

  • 是所有高级树结构的基础

2. 满二叉树 Full Binary Tree

  • 每个节点要么有两个子节点,要么是叶子节点

3. 完全二叉树 Complete Binary Tree

  • 每一层都被填满,最后一层从左到右填满

4. 平衡二叉树 Balanced Binary Tree

  • 任意节点左右子树高度差不超过 1

🌳 二叉搜索树(BST) 

定义:

一个有序的二叉树结构

满足所有左子树上的节点值 < 根节点 < 所有右子树上的节点值

操作:

  • 插入:从根开始递归查找插入点

  • 查询:类似于二分查找,效率高

  • 删除:三种情况(无子节点、一个子节点、两个子节点)

时间复杂度:

操作最佳情况最坏情况(退化为链表)
查找O(log n)O(n)
插入/删除O(log n)O(n)

❗问题:

  • 如果连续插入有序数据:BST 会退化为链表,导致性能下降!

🌲 自平衡二叉搜索树

为了解决 BST 退化的问题,引入了自动保持平衡的机制,主要有两类代表:

1. AVL树(Adelson-Velsky and Landis Tree)

  • 每个节点维护一个“平衡因子”= 左右子树高度差

  • 超过 ±1 就进行旋转修复(左旋、右旋、左右旋、右左旋)

  • 查找非常快,但插入/删除开销大(频繁旋转)

2. 红黑树(Red-Black Tree)

定义:

红黑树是一种自平衡的二叉搜索树,其每个节点多了一个“颜色属性”【红 或 黑】,并且满足以下五条性质:

🎯 五大性质(核心):

  1. 每个节点不是红就是黑

  2. 根节点是黑色

  3. 每个叶子节点(NIL 节点)是黑色

  4. 如果一个节点是红的,则它的子节点必须是黑的(不能有两个连续红节点)

  5. 从任一节点到其叶子节点的路径上,黑色节点的数量必须相同

操作原理(通过旋转和变色维护这五条规则):

  • 插入:默认插入红色节点,可能破坏“连续红”或“黑高一致性”,通过:

    • 情况分类(叔叔红/黑 + 父红)

    • 局部旋转和变色修复

  • 删除:更复杂,重点在维持黑高一致性

 时间复杂度:

操作时间复杂度
查找O(log n)
插入O(log n)
删除O(log n)

实际应用:

  • Java 的 TreeMap / TreeSet

  • Linux CFS 调度器(完全公平调度)

  • C++ STL 中的 mapset

红黑树 vs AVL 树

属性AVL 树红黑树
平衡性更严格较宽松
插入效率较慢(频繁旋转)更快
查找效率快(更平衡)略慢
删除效率复杂简化处理
实际应用数据频繁查找场景插入/删除频繁的系统结构

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